Внебрачный ребенок. Ее дед по отцу, Томаш Зан, принадлежал к кругу филоматов, дружил с Адамом Мицкевичем. Рано потеряла отца и мать, воспитывалась родственниками в усадьбе под Двинском (ныне Даугавпилс). Росла на перекрёстке языков. Училась в русской гимназии в Двинске, жила в Санкт-Петербурге (1904—1905, 1907). Училась в Женеве, в 1908—1909 — в Оксфорде, в 1910—1914 — в Ягеллонском университете в Кракове, где познакомилась с Юзефом Пилсудским. В годы Первой мировой войны служила санитаркой в российской армии, награждена Георгиевским крестом за храбрость. В 1917—1918 жила в Петрограде, работала корректором в типографии. С 1918 служила в польском МИДе, в 1926—1935 была секретарём Пилсудского по делам жалоб и прошений, после смерти маршала вернулась в МИД. В 1936—1938 ездила по странам Европы с лекциями о Пилсудском. В 1939 переехала в Румынию, где провела годы войны в Клуже, давала уроки языков, выучила румынский и венгерский. В 1947 вернулась в Польшу. До 1954 на родине публиковались только ее переводы. Последние годы жизни, после нескольких операций катаракты, провела слепой. Жила и скончалась в Познани.
Похоронена в Варшаве, на кладбище Повонзки.
Дебютировала в кругу Молодой Польши. Была близка к поэтам Скамандра. Дружила с Марией Домбровской (Домбровская в Дневнике сравнивала Иллакович со Святой Тересой), Виткевичем, Тувимом. В метафизической лирике Иллакович ощутимо влияние поэзии барокко (Ю.Бака), польского романтизма, лирики Лесьмяна. Стихи поэтессы о Катыни и расстреле восстания рабочих в Познани (1956) были опубликованы в Польше лишь после 1989.
Автор книг стихотворений и сказок для детей, мемуарной прозы, нескольких драм. Переводила Гёте (Эгмонт), Л.Толстого (Анна Каренина), Бёлля (Хлеб ранних лет), стихотворения Эндре Ади, Эмили Дикинсон.
Поэтический дар, человеческие качества и гражданская позиция Иллакович всегда вызывали глубочайшее уважение.
Премия г. Вильно (1930), Государственная литературная премия (1935), премия Министерства литературы и искусства (1967), премия г. Познань (1968) и другие награды. Почетный доктор университета Адама Мицкевича в Познани (1981).
С 1983 вручается премия Казимиры Иллакович за лучший поэтический дебют. В 1984 комната поэтессы в коммунальной квартире в Познани превращена в музей.